[논문]티타늄 첨가강의 연주 노즐막힘 기구

정우광; 권오덕; 조문규

doi:10.3740/mrsk.2009.19.9.473

티타늄 첨가강의 연주 노즐막힘 기구
Nozzle Clogging Mechanism in Continuous Casting for Titanium-Containing Steel 원문보기

한국재료학회지 = Korean journal of materials research, v.19 no.9, 2009년, pp.473 - 480

정우광 (국민대학교 공과대학 신소재공학부) , 권오덕 (POSCO 기술연구소 제강연구그룹) , 조문규 (포항산업과학연구원 원천소재연구본부)

Abstract ▼ AI-Helper

In order to provide the mechanism of nozzle clogging, recovered nozzles for high strength steel grade were examined carefully after continuous casting. The thickness of clogged material in SEN is increased in the following order: from the bottom to the top of the nozzle, upper part of slag line, and the pouring hole. Nozzle clogging material begins to form due the adhesion of metal to nozzle wall, the decarburization, and reduction of oxide in the refractory by Al and Ti in the melt. The reduction of oxide in the refractory by Al and Ti improves the wettability of the melt on the refractory and forms a thin Al-Ti-O layer. Metal containing micro alumina inclusions is solidified on the Al-Ti-O layer, and the solid layer grows due to the heat evolution through the nozzle wall. Thermodynamic calculation has been made for the related reactions. The effect of superheat to the nozzle clogging is discussed on ultra low carbon steel and low carbon steel.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 전술한 노즐막힘 발생기구와 관련된 내화물과 용강사이의 반응에 대하여 열역학적인 고찰을 통한 그 가능성의 확인 및 티타늄 첨가 극저탄소강의 노즐막힘 다발 요인에 대하여 검토하였다. 본 연구의 고찰에 필요한 열역학 데이터는 문헌^13,14)에서 인용하여 사용하였으며, 온도는 연주작업시 노즐내화물의 온도로 예상되는 1823K를 기준으로 하였으며, 에너지의 단위는 J(Joule)이다.
본 연구에서는 티타늄 성분이 첨가되는 고장력강 및 EDDQ를 대상으로 노즐막힘 부위를 분석하고 노즐 재질과 용강과의 반응에 대한 열역학적인 검토를 하여 노즐막힘 발생기구를 제안하였다.

제안 방법

2. 노즐내화물 부착층에 대한 분석 결과와 내화물과 용강사이의 반응에 대한 열역학 검토를 통하여 노즐 부착물 생성기구를 제안하였다.
노즐막힘 다발강종인 Ti 첨가강에서 노즐막힘의 발생 기구를 규명하고 저감방안의 도출을 위하여 고장력강의 주조후 회수한 노즐을 분석함과 함께 열역학적 검토를 통하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
노즐막힘 원인을 조사하기 위하여 고장력강을 주조한 히-트에 대하여 top nozzle, sliding gate 및 침지노즐을 회수한 후, 미들 플레이트의 운동방향으로 노즐을 절단, 2등분하여 단면을 육안으로 관찰하고, 노즐 하부부터 상단까지 30 mm 간격으로 부착층 두께를 측정하였다. 또 절단면의 부착층을 미세 절단하고 에폭시 수지로 함침시켜 경화시키고 연마한 후 현미경관찰을 실시하였다.
노즐막힘 원인을 조사하기 위하여 고장력강을 주조한 히-트에 대하여 top nozzle, sliding gate 및 침지노즐을 회수한 후, 미들 플레이트의 운동방향으로 노즐을 절단, 2등분하여 단면을 육안으로 관찰하고, 노즐 하부부터 상단까지 30 mm 간격으로 부착층 두께를 측정하였다. 또 절단면의 부착층을 미세 절단하고 에폭시 수지로 함침시켜 경화시키고 연마한 후 현미경관찰을 실시하였다.
현미경용 시편은 금코팅을 실시한 후 전자현미경을 사용하여 개재물과 지금부위에 대하여 점분석, 선분석 그리고 면분석을 실시하였다. 점분석은 EDS(Energy Dispersive Spectroscopy)를 사용하였고, 선분석 및 면분석은 EPMA(Electron Probe Micro Analysis)를 사용하였으며 Fe, Si, Al, P, Ti, Ca, O 원소에 대하여 분석을 실시하였다.
현미경용 시편은 금코팅을 실시한 후 전자현미경을 사용하여 개재물과 지금부위에 대하여 점분석, 선분석 그리고 면분석을 실시하였다. 점분석은 EDS(Energy Dispersive Spectroscopy)를 사용하였고, 선분석 및 면분석은 EPMA(Electron Probe Micro Analysis)를 사용하였으며 Fe, Si, Al, P, Ti, Ca, O 원소에 대하여 분석을 실시하였다.

대상 데이터

본 연구에서는 전술한 노즐막힘 발생기구와 관련된 내화물과 용강사이의 반응에 대하여 열역학적인 고찰을 통한 그 가능성의 확인 및 티타늄 첨가 극저탄소강의 노즐막힘 다발 요인에 대하여 검토하였다. 본 연구의 고찰에 필요한 열역학 데이터는 문헌^13,14)에서 인용하여 사용하였으며, 온도는 연주작업시 노즐내화물의 온도로 예상되는 1823K를 기준으로 하였으며, 에너지의 단위는 J(Joule)이다.

성능/효과

1. 고장력강의 노즐막힘은 주로 토출구, slag line 상부와 top nozzle 하부 순으로 심하게 발생하며 얇은 개재물층에 두꺼운 지금층이 부착된다.
3. 노즐 내화물에 용강이 부착되면 용강과 내화물간의 반응으로 탈탄과 동시에 SiO 가스가 발생하여(SiO2+ C → SiO + CO) 용강쪽으로 확산되고, 탈탄층내에서 SiO 가스가 용강중 # 성분과 반응하여(SiO + Al, Ti → Al2O3, TiO2) 탈탄층에는 Al2O3그리고 탈탄층/지금 계면에 Al2O3-TiO2층을 형성한다.
4. Ti 첨가강에서는 Ti 산화물의 생성에 의해 용강과의 젖음성이 향상되며, 극저탄소강의 경우 저탄소강에 비해 유효과열도가 낮아 지금부착층의 성장이 용이하다.
8은 노즐막힘의 기구에 대한 모식도를 나타낸다. 노즐막힘 부위의 분석결과로 부터 노즐막힘 발생기구를 추정하여 보면 내화물의 탈탄 및 SiO₂의 환원에 의해 SiO 가스가 발생하며, 이 SiO 가스가 환원되면서 탈탄층 전면에 Al, Ti의 복합산화물층이 형성되고 여기에 개재물이 현탁된 고점도의 용강이 부착, 성장하는 것으로 추정된다.
10에 나타내며, 유효과열도는 극저탄소강이 저탄소강의 경우보다 낮다. 따라서 현재의 주조조건에서는 극저탄소강이 저탄소강보다 응고가 용이하여 지금부착층의 성장이 용이할 것으로 사료된다. 이는 NSC의 Nakano 등이 고상선과 액상선 사이의 온도차가 20℃ 이하인 스텐레스강종은 노즐막힘이 발생하기 쉽다¹²⁾고 한 것과도 잘 부합한다.
탕면 직상부의 내벽과 부착층의 조직을 절단하여 관찰 하면, 내화물의 가동면 측은 망목상의 탈탄층이며 그 선단부에는 얇은 층이 있고 여기에 개재물이 현탁된 지금층이 부착되어 있다. 지금층은 지금덩어리와 개재물 덩어리가 혼재되어 있으며, 지금 덩어리내 현탁된 미세개재물은 EDS 분석결과 알루미나 개재물과 Al-Mg-Si-O성분의 개재물이었다. Fig.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	연속주조 공정이란?	최근 산업의 발달에 따라 고급강의 비율이 증가하고 수요가 품질요구 수준의 엄격화 그리고 고생산성의 추구에 따라 2차정련 및 연속주조 기술의 중요성이 강조되고 있다. 연속주조 공정은 래들내 용강을 주형을 통하여 응고시켜 제강공정에서 최종 제품을 만드는 공정으로 주편의 품질을 제어하는 최종적인 과정이다. 연주공정에서 용강은 래들에서 턴디쉬 그리고 턴디쉬로부터 주형으로 노즐을 통하여 이동한다.
	2차정련 및 연속주조 기술의 중요성이 강조되게 된 배경은?	최근 산업의 발달에 따라 고급강의 비율이 증가하고 수요가 품질요구 수준의 엄격화 그리고 고생산성의 추구에 따라 2차정련 및 연속주조 기술의 중요성이 강조되고 있다. 연속주조 공정은 래들내 용강을 주형을 통하여 응고시켜 제강공정에서 최종 제품을 만드는 공정으로 주편의 품질을 제어하는 최종적인 과정이다.
	안정적인 연주조업을 통한 품질 확보와 생산성 향상을 위해서는 노즐막힘의 원인을 정확히 규명하고 그 방지기술의 방향 설정이 중요한 이유는?	연속주조 공정은 래들내 용강을 주형을 통하여 응고시켜 제강공정에서 최종 제품을 만드는 공정으로 주편의 품질을 제어하는 최종적인 과정이다. 연주공정에서 용강은 래들에서 턴디쉬 그리고 턴디쉬로부터 주형으로 노즐을 통하여 이동한다. 이때 주조중에 래들 노즐이나 턴디쉬 노즐막힘이 발생하면 용강주입이 불균일해지면서 주형내 용강의 탕면변동량을 증가시켜 주편품질을 악화시키거나, 노즐 부착물이 박리되어 주편내에 혼입될 경우 내부 개재물이 증가하여 제품결함을 유발시키고 생산성 저하와 직결된다. 또한 심한 경우 노즐이 완전히 폐쇄되어 주조가 중단됨으로서 생산성을 크게 저하시키게 되는 경우가 발생한다.

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Slag Atlas, 2nd Ed., p. 522-524, p. 532, ed. VDEh, Verlag Stahleisen GmbH, Dsseldorf, Germany (1995)

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